17. Iwona śak. pirol porfina porfobilinogen H H H N HC III

Transkrypt

1 17. PRFRYY PDE wona śak Porfiryny są makrocyklicznymi związkami, utworzonymi z czterech pierścieni pirolowych, połączonych jednowęglowymi mostkami metinowymi. Pirol jest pięcioczłonowym, heterocyklicznym związkiem aromatycznym, który zawiera sześć elektronów π w cyklicznym sprzęŝonym układzie nakładających się pięciu orbitali p (kaŝdy z czterech atomów dostarcza 1 elektron π, atom azotu o hybrydyzacji sp 2 dostarcza wolną parę elektronową, czyli dwa). Wolna para elektronowa atomu azotu w pirolu jest mniej reaktywna poniewaŝ jest częścią sekstetu aromatycznego. W wyniku tego pirol jest znacznie mniej zasadowy i mniej nukleofilowy niŝ aminy alifatyczne. Atomy węgla pirolu natomiast są bogatsze w elektrony i bardziej nukleofilowe niŝ atomy węgla jedynego wiązania podwójnego jakiegoś związku, dlatego pierścień pirolowy jest reaktywniejszy wobec elektrofili. Pirol moŝna otrzymać w wyniku działania na furan amoniakiem w obecności tlenku glinu jako katalizatora i w temperaturze 400. W organizmie pirol powstaje w postaci porfobilinogenu, który jest produktem reakcji kondensacji dwóch cząsteczek kwasu δ-aminolewulinowego (na poniŝszym rysunku pojedyncze cząsteczki δ-aminolewulinianu w obrębie porfobilinogenu, zaznaczono poprzez wykropkowanie). Reakcję katalizuje syntaza porfobilinogenowa. α δ V γ β pirol porfina porfobilinogen 297

2 Wszystkie porfiryny zawierają makrocykliczny układ zwany porfiną, który nie występuje w przyrodzie w stanie wolnym, lecz analogi porfiny z podstawionymi łańcuchami bocznymi (do pierścieni pirolowych) są związkami bardzo istotnymi dla procesów Ŝyciowych. Typowymi przedstawicielami są hemy i chlorofile. Rodzaj łańcuchów bocznych w porfirynach moŝe być róŝny, zwykle występują podstawniki zarówno o krótszym, jak i dłuŝszym łańcuchu alifatycznym. Typowe podstawniki boczne porfiryn 3 Strukturę porfiryn moŝna przedstawiać za pomocą uproszczonych wzorów Fischera. yfry rzymskie oznaczają numer pierścienia pirolowego, natomiast arabskie numery atomów węgli pierścieni pirolowych, do których przyłączone są podstawniki (łańcuchy alifatyczne). 8 7 V uproszczony wzór Fischera porfiryny Rozmieszczenie podstawników bocznych jest podstawą istnienia porfiryn w czterech typach izomerycznych (typ symetryczny i typy,, V asymetryczne). Biologicznie waŝne izomeryczne typy porfiryn typ symetryczny typ asymetryczny 298

3 Asymetryczne rozmieszczenie podstawników w typie porfiryn występuje we wszystkich biologicznie waŝnych porfirynach. Tego typu porfiryny określane są teŝ jako porfiryny X, wynika to z faktu, Ŝe wykryto je jako dziewiątą formę izomeryczną. Symetryczne rozmieszczenie podstawników w typie porfiryn występuje tylko w tych, które powstają w warunkach patologicznych, np. we wrodzonej porfirii erytropoetycznej. Asymetryczne typy i porfiryn otrzymano jedynie syntetycznie i nie mają Ŝadnego znaczenia biologicznego, dlatego nie zostały przedstawione ich wzory. ząsteczki porfiryn są płaskie, bardzo trwałe i silnie zabarwione. Tworzą kompleksy z jonami metali (Ŝelaza lub magnezu) umiejscowionymi w środku struktury cząsteczki porfiryny, dzięki temu, Ŝe jony metali przejmują pary elektronowe od atomów azotu piroli. Porfiryny pochłaniają światło i posiadają charakterystyczne widma absorpcyjne zarówno w części widzialnej, jak i nadfioletowej. Wszystkie porfiryny, niezaleŝnie od rodzaju posiadanych podstawników bocznych, wykazują maksimum absorpcji przy długości fali około 400 nm, pasmo to określane jest mianem pasma Soreta. widmo absorpcyjne porfiryn Roztwory porfiryn po naświetleniu światłem nadfioletowym wykazują silną, charakterystyczną czerwoną fluorescencję, którą wykorzystuje się do wykrywania nawet śladowych ilości wolnych porfiryn. Z punktu widzenia diagnostyki klinicznej waŝne jest wykrywanie w materiale biologicznym obecności uroporfiryn i koproporfiryn, poniewaŝ związki te w zwiększonych ilościach wydalane są z organizmu w przypadku stanu patologicznego, zwanego porfirią. Uroporfiryna i koproporfiryna są metabolitami pośrednimi szlaku biosyntetycznego hemu. Barwna uroporfiryna powstaje w cytoplazmie z bezbarwnego 299

4 uroporfirynogenu pod wpływem światła w reakcji samoutlenienia, tworzącej mostki metinowe w tej porfirynie V na świetle 6 + samoutlenienie V - uroporfirynogen uroporfiryna W podobnej reakcji powstaje barwna koproporfiryna z bezbarwnego koproporfirynogenu V 3 na świetle 6 + samoutlenienie 3 3 V koproporfirynogen koproporfiryna Uroporfirynogen jest wspólnym prekursorem dla wszystkich hemów, chlorofili oraz witaminy B

5 Uroporfirynę wykryto pierwotnie w moczu, lecz nie jest to jedyne miejsce jej występowania w organizmie. Koproporfirynę stwierdzono pierwotnie w kale, obecna jest równieŝ w moczu. Koproporfirynogen powstaje z uroporfirynogenu w cytoplazmie komórki w reakcji dekarboksylacji, która przekształca wszystkie boczne podstawniki acetylowe uroporfirynogenu w podstawniki metylowe koproporfirynogenu. W stanach patologicznych pojawiają się uroporfiryna i koproporfiryna, które powstają na tych samych zasadach, jak ich fizjologiczne izomery typu. Koproporfirynogen w mitochondriach przekształcany jest w protoporfirynogen w reakcji oksydacyjnej dekarboksylacji, przekształcającej dwie grupy propylowe pierścieni pirolowych ( i ) w grupy winylowe. Reakcję katalizuje oksydaza koproporfirynowa, która moŝe działać wyłącznie na koproporfirynogen, fakt ten wyjaśnia zupełny brak w materiale biologicznym protoporfirynogenu i protoporfiryny. Barwna protoporfiryna powstaje w mitochondriach z bezbarwnego protoporfirynogenu w enzymatycznej reakcji utlenienia, tworzącej mostki metinowe w tej porfirynie V 3 utlenienie 6 + oksydaza protoporfirynogenowa 3 3 V protoporfirynogen protoporfiryna (lub X) Wstawienie do cząsteczki protoporfiryny X centralnego jonu metalu, mianowicie Ŝelaza lub magnezu, determinuje dalsze przekształcenie porfiryny albo w kierunku hemu, albo chlorofili. Dalsze modyfikacje prowadzące do chlorofili polegają na dołączeniu piątego pierścienia pirolowego, połączeniu jednego podstawnika bocznego z długim hydrofobowym izoprenoidem, cząsteczką fitolu oraz usunięciu pewnych wiązań podwójnych w niektórych pierścieniach pirolowych. 301

6 V Fe Ŝelazoprotoporfiryna (hem) śelazoprotoporfiryna, czyli hem to grupa prostetyczna wszystkich hemoprotein, do których naleŝą hemoglobiny, mioglobina, cytochromy i niektóre enzymy, mianowicie katalaza oraz peroksydaza. We wszystkich tych białkach ogólna struktura hemu jest podobna, natomiast róŝnią się strukturą łańcucha polipeptydowego, który jest specyficzny dla kaŝdego typu białka. Poza tym, białka te róŝnią się wartościowością atomu Ŝelaza w ich hemie. Atom Ŝelaza występuje w postaci jonu Ŝelazawego (+2) w hemach funkcjonalnej hemoglobiny, oksyhemoglobiny, mioglobiny i oksymioglobiny i tylko w tej postaci transportuje tlen. Atom Ŝelaza przyjmuje postać jonu Ŝelazowego (+3) w hemach methemoglobiny, w katalazie i peroksydazie. śelazo w postaci jonu zmieniającego wartościowość (+2 lub +3) występuje w cytochromach, zaleŝnie od ich aktualnego stanu funkcjonalnego, mianowicie po przyjęciu elektronu lub jego oddaniu. Atom Ŝelaza wiąŝe się z 4 atomami azotu piroli poprzez dwa wiązania kowalencyjne i dwa wiązania koordynacyjne. Poza tym, moŝe tworzyć dwa dodatkowe wiązania, mianowicie kaŝde po innej stronie płaskiej płaszczyzny hemu, które określa się jako piątą i szóstą pozycję koordynacyjną jonu Ŝelaza Fe +2. Piątą pozycję koordynacyjną Ŝelaza w hemie hemoglobiny i mioglobiny zajmuje reszta histydyny proksymalnej łańcucha polipeptydowego globiny, związana z nim kowalencyjnie. W szóstej pozycji koordynacyjnej Ŝelaza znajduje się miejsce dla cząsteczki tlenu lub tlenku węgla, a w nieutlenowanej hemoglobinie pozycja koordynacyjna 6 nie jest obsadzona. 302

7 2 + is-93 proksymalna 2 + is-64 dystalna W hemie methemoglobiny, atom Ŝelaza jest utleniony, a jego szósta pozycja koordynacyjna obsadzona jest cząsteczką wody. Wolny hem z jonem Ŝelazawym okazuje się zdolny do wiązania tlenu, lecz tylko na bardzo krótki czas, poniewaŝ prawie równocześnie tworzą się struktury kanapkowe hem- 2 -hem i następuje utlenienie Ŝelaza do jonu Ŝelazowego, który nie moŝe juŝ wiązać tlenu. W hemoproteinach łańcuch polipeptydowy globiny właśnie zabezpiecza przed tworzeniem struktur kanapkowych hem- 2 -hem. W przypadku hemoglobiny, szczególną rolę w tym zakresie spełniają dwie reszty histydynowe globiny, zarówno związana kowalencyjnie z Ŝelazem histydyna proksymalna, jak i dystalna, która nie jest bezpośrednio związana z Ŝelazem. em cytochromów c i c 1 wiąŝe się kowalencyjnie z dwoma bocznymi łańcuchami reszt cysteinowych białka poprzez wiązanie tioeterowe, powstające w wyniku reakcji między grupami winylowymi hemu a grupami -S dwóch reszt cysteinowych. em A oksydazy cytochromowej nie jest natomiast związany kowalencyjnie z białkiem, róŝni się teŝ innymi cechami od hemów cytochromów c i c 1, posiada bowiem długi, piętnastowęglowy łańcuch węglowodorowy, zamiast jednej grupy winylowej, oraz grupę formylową, zamiast grupy metylowej. 303

8 V 3 S Fe S B A Ł K 3 hem cytochromów c i c 1 3 ( ) V +2 Fe 3 3 hem A oksydazy cytochromowej BARWK śółwe Barwniki Ŝółciowe powstają w wyniku rozerwania makrocyklicznej struktury hemu i stanowią formę związków wydalniczych, w której usuwany jest z organizmu hem, głównie starych, eliminowanych z obiegu erytrocytów, ale równieŝ hem pochodzący z wszystkich innych hemoprotein. W reakcji oksydacyjnego rozszczepienia pierścienia Ŝelazoporfirynowego, która zachodzi w układzie siateczkowo-śródbłonkowym, powstaje liniowy tetrapirol, zwany biliwerdyną, który jest 304

9 zielonym barwnikiem Ŝółciowym. Ten rozpuszczalny w wodzie barwnik jest końcowym produktem rozkładu hemu u ptaków, gadów i płazów. U ludzi i innych ssaków biliwerdyna ulega redukcji do bilirubiny, czerwonopomarańczowego barwnika Ŝółciowego. Widocznym dowodem tych reakcji rozkładu hemu są zmiany koloru siniaka w róŝnym czasie od wynaczynienia krwi do tkanek. ząsteczki bilirubiny są lipofilne, dlatego we krwi transportowane są w połączeniu z albuminą. Bilirubina jest bardzo skutecznym przeciwutleniaczem, w przeciwieństwie do biliwerdyny. Bilirubina unieszkodliwiając dwa rodniki hydroksylowe jest utleniana do biliwerdyny. astępnie biliwerdyna szybko ponownie ulega redukcji do bilirubiny. Bilirubina związana z albuminą wykazuje około 1/10 efektywności witaminy w ochronie przed nadtlenkami rozpuszczalnymi w wodzie. Bilirubina to równieŝ szczególnie silny przeciwutleniacz w błonach białkowo-lipidowych, gdzie rywalizuje z witaminą E V biliwerdyna V bilirubina W wątrobie bilirubina sprzęgana jest z dwoma cząsteczkami kwasu glukuronowego. W wyniku tej reakcji powstaje diglukuronid bilirubiny, który charakteryzuje się zwiększoną polarnością i rozpuszczalnością w wodzie. W tej formie bilirubina wydzielana jest do Ŝółci, a następnie do jelit. 305

10 V diglukuronid bilirubiny W jelicie odłączany jest kwas glukuronowy, a bilirubina redukowana pod wpływem enzymów bakteryjnych do bezbarwnego liniowego tetrapirolu, zwanego urobilinogenem, który utlenia się do Ŝółto zabarwionej urobiliny lub przekształca się do innych barwników pojawiających się w moczu i kale. W moczu stwierdza się urobilinę V urobilina W kale i moczu obecne są równieŝ dipirolowe barwniki, tzw. mezobilifuscyny V mezobilifuscyny 306